中學生數字化科學探究移動實驗室的研究進展

◆袁順發　孫紅嬌　岑健林　黎遠興　王雙喜

中學生數字化科學探究移動實驗室的研究進展

◆袁順發孫紅嬌岑健林黎遠興王雙喜

隨著我國教育事業的不斷發展，人們對培養學生創新思維和動手能力的素質教育越來越重視，數字化科學探究實驗教學在初級、中級教育中受到廣泛關注。但受限于高昂的成本，數字化科學探究實驗教學難以在全國范圍內尤其是偏遠地區大范圍推廣。數字化科學探究移動實驗室通過區域內學校的互通互用，可以有效解決這一需求與經濟基礎的矛盾。介紹國內外移動實驗室的種類，總結數字化科學探究移動實驗室的發展現狀，分析我國在數字化科學探究移動裝備領域的不足，展望我國數字化科學探究移動實驗室未來的開發重點。

移動實驗室；數字化科學探究；實驗教學；實驗器材

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.004

1　前言

數字化科學探究實驗教學是近年來興起的一種全新教育模式，受到各個階段學校和學生的廣泛歡迎。數字化科學探究實驗教學通過現場操作數字化實驗設備，教學的整個過程生動、高效并且簡單明了，使學生對于實驗所展示的學習內容有更加深刻的理解與記憶。另外，與傳統教學相比，數字化科學探究實驗趣味性強，能夠使學生積極主動地投入到實驗探索過程中，對科學具有更強的求知欲望和探索熱情。

但是，由于數字化科學探究實驗課所用的實驗器材昂貴，建立數字化科學探究實驗室耗資比較大，使得數字化科學探究實驗在偏遠貧困地區難以普及。近年來，為了滿足中小學對數字化科學探究的教學需求，人們相繼開發了可流動的數字化科學探究實驗車。一輛流動實驗車就相當于一個可移動的實驗室，可以讓偏遠地區的多個學校的學生分享現代數字化教學實驗設備，進一步提供教育均衡發展的機會，帶動偏遠貧困地區的學生動手實踐，自主地探索新知識，這對培養偏遠地區的學生的科技素養和研究興趣十分重要。

2　移動實驗室的發展現狀

移動實驗室移動實驗室是一種在一定區域內能夠轉移、拆卸、組裝，且配置了檢測、實驗設備及通信設備，能快速準確地完成規定內容的實驗的移動汽車。

1940年左右，西方國家開始開發并使用移動實驗室，它們將其應用在一些化學武器、電磁波等對于軍事方面的流動監測分析上。隨著科技的發展，各個國家開發的移動實驗室各有側重，德美法等少數西方發達國家在移動實驗室技術方面領先全球：德國的西門子公司已經擁有用于分析DNA和蛋白質的自動化移動式生物芯片實驗室；美國開發出兩個世界上最為先進的移動實驗室，即化學移動實驗室和微生物移動實驗室；英國則開發出可進行現場珠寶鑒定服務的移動實驗室；以色列萊舍夫公司研制出一種專供農業的移動實驗室，能夠對土壤狀況進行綜合分析，可對農藥、化肥進行檢測以及進行作物病蟲害診斷、防治等；2015年，俄羅斯發射一款太空移動實驗室，它既能與空間站對接，又能自由飛行。

移動實驗室具有區域快速轉移、現場迅速檢測的優勢。由于移動實驗室具備多種多樣的功能，除了發達國家，發展中國家也相繼投入開發特種移動實驗室。據報道［1］，泰國醫療科學局在2006年研發出一款能夠在野外快速準確地檢測出禽流感等病毒的移動實驗室，通過該移動實驗室，可在4小時內檢測到禽流感、登革熱、口蹄疫等病毒。

受到經濟發展水平、技術以及人員等多個條件的限制，我國對于移動實驗室的研究起步較晚，但近些年來，隨著我國經濟快速發展，國內環境、疾病、安全等各個領域突發事件頻繁爆發，我國政府加強了對公共衛生安全、食品安全、環境安全等方面的監測，移動實驗室建設在我國獲得進一步的發展。

我國第一臺投入使用的移動實驗室是一款食品安全檢測移動實驗室，用于監測水體污染狀況。移動實驗室在北京奧運會期間對于供奧食品檢測、汶川地震時對于食品安全檢測、松花江污染中對水質檢測以及協助非洲在埃博拉暴發期間的血樣檢測等重大事件或活動中發揮了重要作用。我國“十二五”計劃指出：政府將逐步“加大力度建設社會公共安全，完善通報及反應機制體系，全力提高基層快速檢測能力，使政府部門的監管更具公信力與有效性”。移動實驗室的建設和推廣正在逐步成為政府有關部門快速、準確、及時、有效地預防監控各類事件的有效手段。

移動實驗室的功能改進隨著社會經濟的發展，移動實驗室已經成為一個重要的新產業，從滿足人們的需求的角度，近年來在設備穩定性、空間舒適性、功能多樣性等方面做了很多嘗試。

1）車體空間拓展。移動實驗室最早是基于廂式汽車改造而來的，廂式車大部分是通過汽車二類底盤改裝而成，典型的廂式車由三部分組成：底盤車、副車架和車廂。20世紀70年代，美國軍方在確保廂式車機動能力的條件下，研制出可拓展式軍用廂式車［2］。其可在現場展開，使車廂的空間得到進一步擴大，同時拓展、收攏的時間短，極大地方便了戰時的前進及轉移，是結合大空間和快巧靈于一體的軍事裝備機動載體，因此得到各國軍方的高度重視，并陸續地研制出兩側車廂板掀頂伸縮式、兩側車廂板整體內伸縮式、兩側車廂板整體外伸縮式等多種拓展機構。與此同時，軍用車廂拓展技術在民用市場上也產生非常大的影響，尤其最近幾年在人防工程、電視轉播、搶險救災、旅游等方面廣泛吸收箱體拓展技術。如宣傳大篷車，采用的是兩側車廂板整體外伸縮式拓展技術，當擴展廂擴展打開時，兩側車廂就如兩個大“抽屜”被推出。圖1所示為大篷車車體伸縮狀態［3］。

圖1　大篷車車體伸縮結構示意圖

2）太陽能動力。1978年，英國研制了世界上第一臺太陽能汽車，車速高達13 km/h。2003年，在澳大利亞舉辦的太陽能汽車競賽上，荷蘭代表開發的“NunaⅡ”光伏汽車以30小時54分鐘的成績行駛了3010 km，獲得該賽事冠軍并且將太陽能汽車世界最高時速更新為170 km［4］。

車載太陽能系統由光伏電池及蓄電池組成，光伏電池通過收集太陽能發電，利用控制器為汽車上的負載提供部分或全部的電力，剩余的電力則會儲存在蓄電池中。目前，奔馳、奧迪等部分車型已實現將太陽能作為全部或輔助動力。國內奇瑞汽車公司2010年就著手把流線型太陽能電池板安裝在奇瑞車型頂部，推出自主知識產權的太陽能汽車［5］。

3）液壓腿支撐實驗室平臺。液壓支撐腿最早在汽車工業中獲得應用。設置汽車起重機支撐腿是為了在不增加起重機自身寬度的條件下，為汽車起重機的實際操作提供更大的支承跨度，提高起重機的起重性能。汽車起重機支腿是設置在車廂支架上可收起外放以及伸縮的支承結構。涉及支撐腿的三個領域，即型式、結構以及控制。目前液壓支腿在軍用設備車、汽車起重機、混凝土泵車等眾多特殊車種中都有使用，一些民用車輛，如移動式舞臺［6］，其舞臺平臺的支承依靠的仍是液壓腿，如圖2所示。舞臺演出車展開后，展開平臺與原車內平臺組合成舞臺，下翼展內外板下部固定液壓腿。頂柵升起后，柵翼前后兩側分別展開作為舞臺頂柵，閉合后，整個車廂的外形為箱式半掛車。

4）車內LED照明。20世紀初，照明光源逐步被應用在汽車上。最開始，汽車上使用的照明光源是煤油燈和乙炔燈；直到1910年，汽車照明逐步應用電光源，先后經歷了白熾燈、鹵鎢燈及高強度放電式氣體燈；到了1985年，汽車照明開始引入LED技術。LED具有很多其他光源所不具備的優點：①壽命長且抗震性好；②節能環保；③響應速度快；④體積小。目前，奔馳、寶馬、奧迪等各個知名品牌車為了提高汽車的觀賞性，都逐漸推出配有多種多樣LED內外飾的新款車型。得益于汽車LED照明技術，新一代的移動實驗室基本采用了新的LED照明技術。

圖2　移動式舞臺的正面及側面示意圖

3　教學用移動實驗室

國內教學用移動實驗室的起源在20世紀八九十年代，部分地區的一些山村學校由于實驗設備不足，無法進行實驗教學，通過向一些學校租借一些儀器設備并通過改裝一輛專用卡車，組裝了一輛巡回的實驗教學車。該實驗車深入鄉間學校進行理化實驗教學，初步改變了“只能在黑板上教實驗”的局面。

數字化科學探究流動實驗《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》提出要改革創新現有的教育教學方法，激起學生對于科學知識的興趣愛好，營造求思好學、開拓探索的學習氛圍。教育部新的課程標準也明確要求：重視將信息技術應用到理化生實驗，通過計算機實時測量實驗數據來處理并且分析實驗結果等。為了適應飛速發展的人才培養的需求，數字化實驗系統（Digital Information System，簡稱DIS）正逐漸成為各地數字化校園建設的重點項目，各學校開展探究實驗的選擇對象也逐漸地從傳統實驗室轉化為數字化探究型實驗室。

由于數字化科學探究實驗課所用的實驗設備昂貴，使得數字化科學探究實驗在偏遠貧困地區難以普及。近年來，為了滿足中小學對數字化科學探究的教學需求，人們相繼開發可流動的數字化科學探究實驗車。

2013年，佛山推出國內首臺數字化科學探究流動實驗室（圖3），在當地政府的支持下，數字化科學探究流動實驗室駛進高明、三水等地的偏遠山區學校。數字化科學探究移動實驗室是建立在移動實驗室的基礎之上，配備供水系統、通風系統以及車載櫥柜系統等功能，并且載有多種科學探究實驗所需的電子器材的一個數字化教學平臺［7］。該流動實驗室由大巴車改裝而成，配備了觸摸屏計算機、遠程視頻系統，可進行信息技術、科學、數學、物理、化學與生物等學科的數字化探究實驗。實驗室內的數字化科學探究儀器有顯微鏡、數據采集器、電流傳感器、微電流傳感器、聲波傳感器、力傳感器、心率傳感器、G-M傳感器等，可以進行水果電池、顯微觀察、力的相互作用、聲波三要素等實驗。

圖3　“探索號”數字化科學流動實驗室

圖4　宇通科學巴士

除了教學設備，數字化科學探究移動實驗室還包含水位顯示、電動控制、清水箱、污水箱、洗手池、洗眼器、變頻空調、排氣口、抽氣泵等配套設施。另外，數字化科學探究移動實驗室內安裝有無線4G網絡，將實驗室內的學生用計算機與遠方的計算機有效連接，再配合高清攝像系統，能實現師生間的遠程互動，也可將課堂內容分享到實驗室以外的顯示屏上。車內安裝有變頻空調，能夠應對寒冷及炎熱兩種極端天氣；凈水箱與污水箱，能夠應對偏遠地區的實驗需求并防止對停放處的水源污染。數字化科學探究移動實驗室可以在區域部分學校間調度使用，將數字化實驗硬件分享到基層偏遠山區，促進了教育公平、均衡發展。

與此類似，2014年5月，北京自然博物館推出“中生代王者歸來”流動科普車［8］。這是一臺在大客車基礎上改裝的移動實驗室，結合車內外空間，形成一個較大的展示舞臺。該車可以流動展示一些恐龍的化石標本以及模型，另外設置有移動式球幕影院，通過多媒體內容，為學生提供一個了解遠古恐龍科普知識的學習平臺。

2014年9月，在全國科普日活動現場，鄭州宇通推出一款純電動客車改造而成的“科學巴士”［9］（圖4）。巴士上配備了可穿戴智能設備、4G Wi-Fi和全景攝像頭，展示了增強現實技術、3D打印技術等最新的數字化技術。車上裝載手提電腦、可動機器人、傳感器、導線等實驗器材，供學生進行水果電池、機械配合等實驗的操作及學習。相對上述幾款流動教學實驗室而言，宇通的“科學巴士”所含科學因素較為前端，其特有的純電動動力系統更為綠色和諧，“科學巴士”以新技術吸引學生，更適合于科學普及教育。但其內部設置的基礎科學實驗儀器種類較少，櫥柜儲藏能力不足，難以滿足學校教學的主要要求。

4　國內數字化科學探究移動實驗車存在的問題

盡管數字化科學探究移動實驗車已經在不同地區和領域獲得應用，但由于發展時間短，國內數字化科學探究移動實驗車仍然存在一些不足。

1）流動實驗室的內部空間較為狹小。安裝了儲物柜系統之后，車上的可站立面積在原有基礎上減少一半，這影響到實驗教學的實施和教學效果。

2）實驗室的流動性決定了它需要建立在一輛車上，而實驗車一般停放在比較空曠的地方使用，如果通過外接交流電源支持實驗用電，一方面，外接的電線對學生的安全存在一定的隱患；另一方面，對于偏遠的地區來說，停電狀況時有發生，影響教學實驗的安排。另外，如果靠車載發電機供電，燃油煙氣會污染固定放置的車廂及周邊空氣，對學生集中精力上課會產生消極影響。

5　展望

隨著我國教育事業的不斷發展，對于教育質量的要求越來越高，培養學生創新思維和動手能力的素質教育已經成為基礎教育的重要內容。近年來，數字化科學探究實驗教學在初級、中級教育中受到廣泛關注，但受限于高昂的成本，數字化科學探究實驗教學難以在全國范圍內尤其是偏遠地區大范圍推廣。雖然通過區域內學校的互通互用，數字化科學探究移動實驗室可以有效提升貧困偏遠地區的實驗教學水平，但還有許多方面不能滿足教學需求。

考慮到移動實驗室的流動性、實用性要求，下一代數字化科學探究教學流動實驗應該吸收 目前國內外移動實驗室的優點，在如下領域開展進一步的研究：

1）參考國內外的汽車空間擴展技術，擴展數字化科學探究實驗教學流動實驗室內部空間；

2）參考國外已實現的車載太陽能方案，將太陽能作為數字化科學探究實驗教學流動實驗室內部用照明和實驗設備的供能來源之一，提高數字化科學探究實驗教學流動實驗室的適應能力，以滿足偏遠落后地區的實驗教學需求。

［1］Denise A. Thailand launches fast-reaction hi-tech bird fl u mo bile labs［N］.Flu Trackers News and Information，2006-8-23.

［2］韓林.國外專用汽車產業發展態勢［J］.汽車與配件，2014（4）：39-43.

［3］楊艷，王登貴.一種大篷車車廂只能伸縮控制系統設計［J］.農業裝備與車輛工程，2015，53（1）：60-63.

［4］Marks L. Solar Car Challenge： The History of Solar Car Racing［EB/OL］.http：//www.solarcarchallenge.org/challenge/ history.shtml.

［5］盧磊，陳效華，嚴偉，等.一種在汽車上應用太陽能技術的設計方案［J］.新材料產業，2010（1）：71-73.

［6］王欽普，吳占國.多功能移動舞臺演出車的結構及功能裝置［J］.專用汽車，2006（4）：45-46.

［7］饒良星，黃桂意.一款移動實驗室的設計開發［J］.機電技術，2014（6）：128-129.

［8］史英周.北京自然博物館“中生代王者歸來”流動科普車展覽啟動［EB/OL］.［2014-05-13］.http：//www.bjast.ac.cn/ Html/Article/20140513/23390.html.

［9］吳佳.宇通科學巴士亮相第十一屆全國科普日［N/OL］.［2014-09-30］.http：//www.cnautonews.com/syqc/kec/201409/ t20140929_327692.htm.

Development of Mobile Laboratory for Digital Experiment in Middle School

//YUAN Shunfa， SUN Hongjiao， CEN Jianlin， LI Yuanxing， WANG Shuangxi

With the development of education in China， training of creative thoughts and practical ability becomes more and more important for middle schools. At president， much attention has been paid on digital experiments of scientifi c inquiry education in primary and secondary school. However， due to the high cost of the digital equipment， it is difficult to promote digital experiments widely in the whole country， especially in the poverty and rural areas. The digital scientific inquiry mobile laboratory could be utilized one by one for multi schools in the rural region， which could eff ectively solve the contradiction between great demand and poor economic basis. In this paper， some kinds of mobile laboratory at home and abroad were introduced fi rstly. Then， the development of mobile laboratory for the digital experiment in middle school was summarized. Finally， through analysis about the existed mobile laboratories for the digital experiment in China， some main orientations about the next generation were prospected.

mobile laboratory； numeric scientific inquiry； experimental teaching； experiment equipment

G482

B

1671-489X（2016）16-0004-04

作者：袁順發、黎遠興，汕頭大學工學院；孫紅嬌、岑健林，廣東雅嘉思科技有限公司（528000）；王雙喜，汕頭大學工學院教授（515063）。